激光辅助破岩实验研究

采用高能激光束照射岩石表面,研究花岗岩和砂岩对激光热作用的敏感性规律,并对两种岩石的激光破岩效果进行表征。结果表明,激光照射花岗岩时,表面发生热应力破碎,生成透明玻璃泡,且有不同程度起裂。当激光功率(P=700 W)和作用时间一定时,随离焦量增大,玻璃泡直径先减小后增大。砂岩表面激光钻孔后,由黑色瓷釉层和褐色热影响区组成。当激光功率和作用时间一定时,随离焦量增大,砂岩钻孔直径、白色区直径和褐色热影响区直径均呈先增大后减小的趋势,且在离焦量L=103 mm时达到最大值。随激光入射角度的增大,砂岩孔型由圆形向椭圆形转变,且钻孔的黑色瓷釉层、红色和褐色热影响区基本呈现逐渐增大的趋势,钻孔直径变化不大,而孔深相应降低。     

激光辅助破岩试验研究

为了探索激光破碎岩石的规律和效果,设计了激光辅助破岩系统,进行了激光破岩试验研究。试验岩样为花岗岩和致密砂岩,在地面大气状态下分别对2种岩样进行了试验,测试了离焦量、激光功率、激光照射时间、钻头转速等对激光破岩效果的影响。试验结果表明,岩石的物理、化学性质影响激光破岩效果,针对岩性进行激光参数的优化有助于提升激光破岩效果。     

激光破岩的物理模型与传热学特性研究

高能激光破岩是一种非接触式的物理化学破岩方法。激光破岩的基本原理是，利用高能光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态瞬间相变到热熔和气化状态，并形成气液固多相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除。文章利用能量守恒原理，建立了激光破岩的基本物理模型；研究表明，激光破岩的机械钻速，主要与激光束的平均功率密度和岩石材料的热物理性能参数有关。同时，对激光束的发散角、主瓣半径和光斑的功率密度等技术参数进行了分析。另外，对岩石表面受激光辐射后的传热学特性、温度场的数学描述及其分布规律等基础问题进行了研究。     

沙特B区块高效破岩钻井技术

沙特B区块为典型的高温高压低孔低渗砂岩储层,平均机械钻速2.25 m/h,平均钻井周期250 d。为了提高机械钻速,缩短钻井周期,进行了沙特B区块高效破岩技术研究与应用。根据建立的沙特B区块岩石可钻性剖面,以岩石可钻性为基础,不同类型钻头的现场实钻效果为依据,与钻头厂家共同研究优选出了该区块不同地层的钻头推荐方案;参照沙特B区块地层的可钻性,根据螺杆钻具和涡轮钻具工作特征参数,优选出了适用于该区块的螺杆钻具和涡轮钻具。现场应用表明,沙特B区块采用优选出的钻头推荐方案“螺杆钻具+PDC钻头”和“涡轮钻具+孕镶金刚石钻头”复合钻井方式可以实现高效破岩,使该区块平均机械钻速提高46.8%,钻井周期缩短23.3%。      

高压液氮射流提高深井钻速机理

针对深部油气及地热钻探中岩石温度及强度高、钻速普遍偏低等问题,采用花岗岩、页岩和砂岩3种岩样,开展了高温岩石液氮冷却后的力学特性测量实验与液氮射流破岩实验,解析了液氮喷射破岩的宏观特征与微观机理、液氮-岩石的传热特征、岩石内热应力的演化规律,进而提出了高压液氮射流辅助钻井的新方法。研究表明,液氮冷冲击可显著降低岩石的单轴压缩强度及弹性模量,岩石温度越高,力学弱化程度越高,冷冲击对岩石的损伤程度越强;液氮射流破岩以大块体积破碎为主要破岩特征,具有破岩效率高、破岩门限低的特点,岩石温度越高,液氮射流破岩效果越强;液氮喷射作用下花岗岩的损伤程度最高,该方法对高温花岗岩地层具有更好的适用性,应用于深层干热岩储集层钻井提速,具有良好的前景。图13表2参19     

PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验

通过室内动态破岩实验,研究切削齿切削深度及岩石可钻性对PDC钻头黏滑振动的影响。选取了红砂岩、黄砂岩、白砂岩和花岗岩4种不同岩性、400 mm×400 mm×400 mm的天然岩石作为实验岩样,通过改变钻压,分析切削齿切削深度、岩石可钻性与钻头黏滑振动的关系。选取扭矩和转速波动作为黏滑振动特征参数来描述PDC钻头黏滑振动现象,对其进行无因次化处理,定义为黏滑严重度,并分别建立了PDC钻头黏滑严重度、扭矩振幅,与平均每转切削深度和岩石可钻性的二元非线性关系模型。实验结果表明:实验室条件下扭矩黏滑严重度差异性更加明显;实验的5种钻压下,扭矩黏滑严重度均随岩样可钻性级值的增加而显著增加;PDC钻头每转切削深度增加,扭矩黏滑严重度显著增加。     

深井高温岩石破岩机理及生热分析

为了提高深井高温地层PDC齿的破岩效率,分别将花岗岩和砂岩加热至不同温度以模拟深部井底高温岩石,结合岩石岩性及其在高温条件下的力学特性,进行PDC单齿切削破岩室内试验,利用切削力传感器、高速摄影机和热红外成像仪对不同温度岩样的切削力、破岩过程和切削温度场进行深入分析.分析结果表明:花岗岩和砂岩均存在使自身力学特性发生较...     

激光钻井技术研究进展与展望

采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重,需经常更换钻头,钻井周期长,成本高。而激光钻井技术可大大提高钻井速度,缩短钻井周期。综述了国内外激光钻井技术在激光/岩石/流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学2大基础学科中的研究成果。指出了激光钻井技术面临的诸多问题,深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素。提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术,并阐述了激光辅助破岩技术的原理,为激光钻井技术的发展指明了研究方向。     

温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验

破岩效率低是深层超深层钻井面临的主要难题之一,受深部地层温度、压力影响,深层超深层钻头破岩效率与浅层钻井有较大差异。基于高温高压钻井模拟装置,测试分析了温度、压力对岩石等效可钻性级值的影响,通过温度20、150、300 ℃,围压25、50 MPa环境下钻头破岩实验,开展了破岩效率影响因素敏感性分析。实验结果显示:在温度、压力单因素作用下,花岗岩等效可钻性级值随温度升高而降低,随压力增加而升高;温度、压力耦合作用下,压力因素对花岗岩等效可钻性级值的影响大于温度因素,花岗岩等效可钻性级值升高1~2级。在20~300 ℃,钻头破岩效率均随温度的升高而增加,高钻压(800 N)下破岩效率对温度敏感性升高,高转速(50 r/min)下破岩效率对温度敏感性降低;在0~50 MPa围压范围,钻头破岩效率均随围压的升高而降低;在温度150 ℃、围压50 MPa环境下,破岩效率与钻压、转速正相关,且与转速近似呈线性关系,钻压、转速对破岩效率的敏感性大于温度、围压对破岩效率的敏感性。综合以上分析可知,高温高压地层钻井时,基于岩石可钻性级值优选或设计钻头时,应考虑温度、压力的影响,同时通过强化钻井参数,可经济有效地提升钻头破岩效率。     

空气锤钎头破岩机理仿真分析

基于非线性动力学理论,利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析软件建立空气锤钎头与岩石的破岩机理仿真模型,对钎头的破岩过程进行仿真分析,认为钎头破碎岩石的过程分为4个阶段,即弹性变形阶段、塑性变形阶段、裂纹萌生阶段和破碎完成阶段。最后对花岗岩、砂岩、白云岩、页岩、灰岩5种不同类型的岩石在同一条件下的破岩结果进行比较。结果表明,花岗岩的侵入深度最小,灰岩的侵入深度最大;页岩的体积破碎量最小,花岗岩的体积破碎量最大。由仿真发现,岩石体积破碎主要发生在卸载阶段。不同类型岩石的体积破碎量和侵深虽然不同,但整体的破岩曲线走向是一致的,即破岩规律是相似的。     

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现“中心球形齿+周围锥形齿”的破岩效率最高,“中心球形齿+周围球形齿”组合的破岩效率最低。      

PDC齿压入破岩过程的岩石裂纹特征试验研究

PDC齿是PDC钻头的重要破岩单元,其破岩过程包含压入和旋转切削,但现有研究忽略了压入过程的岩石损伤。为了研究PDC齿压入岩石的能力和探究岩石损伤机理,为PDC钻头的参数选择提供理论依据,采用室内试验方法研究了不同前倾角PDC齿压入青砂岩、花岗岩的破岩过程,采用岩石无损显微检测技术分析了岩石宏观及细观的裂纹。研究表明,砂岩的破碎方式为细小砂粒和黏结物的脱落,花岗岩的破碎方式为晶体的脆性破碎。岩石受载后会先在岩石内部薄弱地方萌生出单一的微裂纹,微裂纹连贯扩展形成主裂纹,主裂纹持续扩展形成宏观可见的裂纹;主裂纹附近为薄弱区域,其内部包含很多尚未成形的微裂纹;接触区域的齿尖处为应力集中区,主裂纹沿此开裂。岩石损伤过程随着前倾角的变化而变化,20°前倾角PDC齿压入青砂岩的能力最强,25°前倾角PDC齿压入花岗岩的能力最强;压入深度小于4 mm时,5°前倾角PDC齿压入岩石的能力最差。研究结果对于揭示岩石的细观与宏观损伤机理、建立PDC钻头破岩的评价方法和优化PDC钻头的设计参数及工作参数等具有重要作用。     

等离子炬破岩效果室内试验及现场应用建议

油气资源和深层地热能开发钻井过程中会遇到岩石硬度大、可钻性差等问题,采用传统钻井技术难以提高钻井效率。针对这一问题,分析了等离子炬的破岩原理,认为等离子炬破岩主要有岩石破碎、熔化和蒸发等方式;利用不同厚度的玄武岩和花岗岩岩样,进行了等离子炬破岩效果室内试验,证明等离子炬可以烧穿50 mm厚的玄武岩岩样和30 mm厚的花岗岩岩样,但不能烧穿更厚的岩样。结合试验结果,分析了现场应用等离子炬钻井技术存在的问题,提出了研发建议。研究结果为深层硬地层等离子炬钻井技术的研究与应用提供了技术借鉴。     

激光破岩方法研究及在石油钻井中的应用展望

激光钻井破岩研究是钻探工程领域一项具有前瞻性的应用基础理论课题,它包括5大基础科学问题,即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石相变的热力学与传热学理论、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等。阐述了激光直接破岩的机理,即击碎、熔化和蒸发的作用,并综述了国内外激光破岩试验研究成果,解释了比能、二次作用等专业概念;主要对激光破岩试验中出现的岩石热裂、液体汽化效应进行了分析,得出了影响激光热裂岩石、激光汽化钻井液的因素,从理论上探讨了激光-气体机械联合钻井与激光激励汽化射流辅助钻井方法的可行性,同时指出了发展激光钻井技术的优势及难点,为激光技术在钻井中的应用指出了研究方向。      

射流作用对岩石局部孔隙压力的影响

在油气井钻进过程中，射流对井底的作用可大幅度提高钻速。而由于岩石材料的多样性和结构的复杂性，多年来有关射流破岩的机理还不明了。为此，提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思路，并认为该渗流压力大小对射流的破岩作用有重大影响。通过对射流作用的岩石表面进行网格划分并绕网格节点取微面积，建立微面积上液流束作用的渗流压力计算模型，分别在地面条件和井底条件下，对射流作用于湿砂岩体作数值计算与分析，得出了在相同条件下，射流的喷射速度对岩石局部范围内的岩石孔隙压力有较大影响；井越深，井底射流对岩石孔隙压力的影响越小等规律，以及增大射流喷射速度可以较大地提高射流对井底的辅助破岩作用等结论，这对认识射流的辅助破岩作用机理有重要意义。     

围压条件下电脉冲破碎干热岩机理

干热岩储集层具有埋深大、温度高、岩石硬度高、研磨性强、可钻性差、地层环境复杂多变且施工难度大等特点，现有钻井技术难以满足地热资源的有效开发。利用高压电脉冲破岩技术开采干热岩热能有利于避免机械钻井过程中钻头磨损的问题，但其破岩机理尚不清楚。为此，基于离散元颗粒流GBM和等离子体通道路径生成的概率发展模型建立了电脉冲破岩热—力耦合模型，并就围压—液柱压力范围介于5～25 MPa，围压—液柱压力比K介于0.05～20时的花岗岩进行电脉冲破碎后产生的裂纹类型及数量、破碎体积分数分析。研究结果表明：(1)电脉冲破碎花岗岩后，花岗岩内部产生了晶内拉伸、晶内剪切、晶间拉伸与晶间剪切4种微观裂纹，并以前3种裂纹为主；(2)当K≥1，且围压大于15 MPa时会促进花岗岩的电脉冲破碎，随围压的增大，晶间拉伸裂纹的萌生和扩展得到加强；(3) K <1时，对于不同的K值，各个类型的裂纹数量曲线呈现出不同的形态，并且产生的裂纹总数少；(4)在围压处于很低水平时，无论液柱压力如何变化，相对于围压较大的情况电脉冲破岩效率会更高，破碎体积分数更大。结论认为，利用高压电脉冲对岩石进行破碎，是一种新型的破岩方式，围...     

旋转水射流破岩钻孔机理研究

基于水射流破岩钻孔过程中影响因素和流固耦合作用的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩全过程的岩石损伤模型。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对旋转水射流破岩钻孔过程的过程进行了模拟,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。计算结果与试验一致,表明旋转射流具有较强的破岩能力,其原因是旋转射流的质点具有三维速度,破岩时以倾斜冲击为主,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏,回流的干扰较少。破岩过程首先是形成一环形破碎带,然后沿径向和轴向发展,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高、破岩比能低,因而旋转水射流能够钻出大直径的岩石孔眼。     

旋冲钻井参数对破岩效率的影响研究

通过理论和试验相结合的方法,分析了旋冲钻井参数对破岩效率的影响及钻井参数与冲击器性能参数间的关系,讨论了石油钻井中常遇到的泥岩、砂岩、灰岩的基本特性参数与冲击器的冲击功和冲击频率的关系,给出了岩石强度、可钻性及硬度与冲击器性能参数的关系.     

激光破岩温度场的数学模型

在激光破岩过程中,激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变,其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。假设岩石材料的各项热物理参数仅与温度的变化有关,利用能量守恒原理建立了激光破岩温度场分析的热物理模型;运用焓连续分布的特性对固相区、液相区、气相区相变界面上的热能交换进行描述;对各相变界区的导热系数和比热等热物性参数采用线性方式进行简化。利用加权余量方法,对激光破岩的温度场模型进行了数值分析求解和实例计算。     

高压水射流井底切槽应力卸载特性

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70 %以上,井底周围有效应力卸载效率约为50 %;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50 %以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30 %;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。